Chimie

Le soleil se lève sur la photosynthèse artificielle

Le professeur de chimie organique Stefan Matile a reçu cet automne un financement européen de 2 millions d’euros pour poursuivre ses travaux sur la photosynthèse artificielle. Un domaine plein de promesses, bien qu’il en soit encore au stade de la recherche fondamentale

En matière de photosynthèse, il est illusoire de vouloir reproduire exactement en laboratoire ce que les plantes ont mis des centaines de millions d’années à perfectionner. En revanche, réaliser une version simplifiée en s’inspirant de ce processus ultra-complexe qui transforme la lumière en énergie chimique ou électrique, cela relève du domaine du possible. C’est en tout cas le défi que s’est lancé depuis quelques années Stefan Matile, professeur au Département de chimie organique*, avec l’espoir que ses recherches permettent un jour de fabriquer des cellules solaires organiques d’un genre nouveau. L’idée plaît, puisque fort de plusieurs résultats préliminaires encourageants, le chercheur genevois vient de décrocher un rare et précieux ERC Advanced Investigator Grant de 2 millions d’euros afin de poursuivre ses travaux sur la photosynthèse artificielle**.

La matière de base des travaux de Stefan Matile est une molécule appelée le naphtalène diimide. Cette dernière existe sous différentes versions, chacune d’elles ayant la particularité d’absorber la lumière d’une couleur précise située entre le rouge et le bleu. Du coup, en combinant ces différentes molécules, il est possible de couvrir tout le spectre du visible.

«Ces composés sont connus depuis longtemps, explique le chimiste. Ils ont toutefois été peu étudiés, car leur synthèse a longtemps été difficile. D’ailleurs, quand nous avons commencé, c’était infernal. Nous avons utilisé des substances comme le pyrène, le chlorure gazeux, l’acide sulfurique (vitriol), l’acide nitrique, bref, tout ce que la chimie connaît de plus brutal.»

Finalement, grâce à l’aide d’un spécialiste des naphtalènes diimides, Frank Würthner de l’Université de Würzburg en Allemagne, les chimistes genevois sont parvenus à leurs fins et ont pu fabriquer toute la gamme de couleurs voulue. La méthode de synthèse a également été améliorée et est désormais plus «douce».

Deux problèmes

Physiquement, l’absorption d’un photon (grain de lumière) par les naphtalènes diimides provoque l’éjection d’un électron. S’il veut exploiter cette particularité pour produire un courant électrique utilisable, le chimiste doit alors trouver la solution à deux problèmes. Le premier consiste à séparer rapidement cet électron du «trou» qu’il laisse derrière lui et avec lequel il cherche à tout prix à se recombiner (le trou se comporte ensuite comme un électron chargé positivement). Le second revient à transporter ces deux particules loin l’une de l’autre de sorte qu’elles puissent être collectées par des électrodes différentes.

Les dispositifs dits à «deux couches» représentent actuellement la stratégie dominante dans le développement de cellules solaires organiques. Il s’agit de deux couches organiques conductrices (l’une attirant les trous et l’autre, les électrons) à l’interface desquels se trouvent les photosystèmes contenant les molécules sensibles à la lumière.

De manière générale, cette technique s’est avérée excellente pour la mobilité des charges électriques, mais médiocres en ce qui concerne leur séparation juste après l’absorption du photon. Le taux de recombinaison des électrons avec les trous, à l’intérieur même des photosystèmes, est trop important. Et les tentatives pour combler cette faiblesse se sont toutes soldées par une chute de la mobilité des charges.

Les meilleures cellules solaires organiques basées sur cette architecture (elles utilisent d’autres molécules que les naphtalènes diimides) affichent un rendement avoisinant les 8%. Ce qui est largement insuffisant pour concurrencer les cellules en silicium (entre 20 et 25% pour les meilleures).

Approche différente

Pour contourner ces difficultés, Stefan Matile a récemment imaginé une approche différente. Son idée est de créer des structures supramoléculaires encore plus complexes. Des constructions capables de séparer naturellement les électrons des trous et de les transporter vers des électrodes par des «canaux» différents, eux-mêmes inclus dans les supramolécules. Ces structures, dans l’idéal, devraient bien entendu renfermer toute la gamme chromatique des naphtalènes diimides.

«Plusieurs équipes travaillent sur le concept des cellules solaires organiques supramoléculaires, précise le chimiste. Mais je suis le seul à vouloir y introduire des molécules de différentes couleurs et des gradients électrochimiques qui permettent de guider les électrons dans un sens et les trous dans un autre. Il faut dire que la chimie organique nécessaire à ces expériences est extrêmement difficile.»

Dans le processus de photosynthèse naturelle qui a lieu dans les feuilles, il existe dans les chloroplastes des arrangements moléculaires qui créent de tels gradients électrochimiques. Stefan Matile tente de parvenir au même résultat en alignant judicieusement des naphtalènes diimides de couleur différente.

La stratégie semble fonctionner. Dans un article paru dans le Journal of the American Chemical Society du 26 mai 2010, lui et ses collaborateurs présentent une construction moléculaire ingénieuse. Il s’agit d’une forêt de longues supramolécules posées sur un substrat inorganique et imbriquées les unes dans les autres comme des fermetures éclair. Les parties inférieures de ces constructions renferment des naphtalènes diimides jaunes, les parties supérieures, des rouges. Cet agencement assure un gradient électrochimique pour les électrons et un autre pour les trous.

«Le résultat a dépassé nos espérances, s’enthousiasme Stefan Matile. Plus nous rallongeons nos structures, c’est-à-dire que nous augmentons l’épaisseur de notre dispositif, plus le courant mesuré croît. Il ne semble pas qu’il y ait de limite autre que la quantité de photons incidents. C’est comme si nous pouvions séparer les électrons des trous sur des distances très grandes.»

Fermeture éclair

Selon Stefan Matile, toutefois, cette architecture en fermeture éclair, bien qu’elle soit intéressante pour la recherche fondamentale, n’a pas d’avenir commercial ou industriel. Elle est trop laborieuse à mettre en œuvre. Qu’à cela ne tienne. Rarement à court d’idée, le chimiste a déjà en tête la suite des opérations: il faut simplifier le dispositif et il sait comment. Cette solution est toutefois confidentielle, car elle fait actuellement l’objet d’une publication scientifique en cours de rédaction.

Il n’est pas certain que ces recherches aboutissent un jour à des cellules solaires commercialisables, mais, si oui, il est sûr que ce n’est pas Stefan Matile qui s’en occupera. «Je fais de la recherche fondamentale, précise-t-il. Je produis des idées. La technologie, ce n’est pas mon domaine. Le développement de cellules solaires efficaces, c’est l’affaire des ingénieurs.»

Anton Vos

*Les travaux interdisciplinaires du Prof. Stefan Matile sont réalisés en collaboration avec le Dr Naomi Sakai (codirection scientifique du laboratoire), du Dr Jiri Mareda (modélisation sur ordinateur), du Prof. Eric Vauthey (Département de chimie physique, mesure des processus chimiques ultrarapides), du Prof. Michal Borkovec (Département de chimie minérale, analytique et appliquée, imagerie des architectures supramoléculaires sur surface) et le Prof. Howard Riezman (Département de biochimie, applications biologiques). Ils font partie du nouveau Pole de recherche national (PNR) «Biologie Chimique» à l’UNIGE.

**Le subside sera consacré à la recherche sur les systèmes biosupramoléculaires fonctionnels et à leurs applications dans le domaine des cellules solaires organiques, des biosenseurs et des systèmes de transport moléculaires.